REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA DE CABIMAS PNF EN ELECTRICIDAD PROGRAMA NACIONAL DE FORMACIÓN DE ELECTRICIDAD CONSTRUCCION DE UNA BOBINA DE TESLA MONOGRAFIA INTEGRANTES: TUTOR METODOLÓGICO Gutiérrez Paul C.I: 23.467.967 __________________ Ruiz Roberto C.I:23.467.282 Nelitza Salgado Salas Héctor C.I: 21.212.969 Sección # 04 TUTOR ACADÉMICO __________________ Marcos Meléndez Cabimas 20-03-2014
trabajo de la bobina de tesla tecnológico de cabimas-zulia venezuela
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA DE CABIMAS
PNF EN ELECTRICIDAD
PROGRAMA NACIONAL DE FORMACIÓN DE ELECTRICIDAD
CONSTRUCCION DE UNA BOBINA DE TESLA MONOGRAFIA
INTEGRANTES: TUTOR METODOLÓGICO
Gutiérrez Paul C.I: 23.467.967 __________________
Ruiz Roberto C.I:23.467.282 Nelitza Salgado
Salas Héctor C.I: 21.212.969
Sección # 04 TUTOR ACADÉMICO
__________________
Marcos Meléndez
Cabimas 20-03-2014
INDICE
INTRODUCCION
1. BOBINA DE TESLA
1.1. Reseña histórica
1.2. Que es una bobina de tesla
1.3. Diseños de bobinas de tesla
2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
2.1. Transmisión
2.2. Principio de funcionamiento
3. ELEMENTOS Y SU FUNCIONAMIENTO EN LA BOBINA DE TESLA
3.1. Transformador de alta tensión
3.2. RFC o bobina de Choke
3.3. Condensador
3.4. Bobina primaria
3.5. Bobina secundaria
3.6. Terminal superior
3.7. Explosor
4. ANTECEDENTES
5. CONCLUSION
INTRODUCCION
En este proyecto nos ayudamos del científico Nikola Tesla, un brillante
ingeniero que vivió en la segunda mitad del siglo pasado y a principios de éste y
que en 1891, desarrolló un equipo generador de alta frecuencia y alta tensión con
el cual pensaba transmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores.
Tesla es el inventor de la corriente trifásica y de los motores de inducción, que
mueven en el presente todas nuestras industrias. En 1891 patentó lo que un día
podría convertirse en su más famosa invención: la base para la transmisión
inalámbrica de corriente eléctrica, conocido como la Bobina Transformadora Tesla.
Entre sus logros figuran la invención de la radio, el motor de corriente alterna,
luchaba por la investigación de un estándar eléctrico, la lámpara de pastilla de
carbono (luz de alta frecuencia), el microscopio electrónico, un avión despegue y
aterrizaje vertical, la resonancia, el radar, el submarino eléctrico, Bobina de Tesla,
Rayo de la muerte, control remoto, Rayos X, métodos y herramientas para el
control climático, transmisión de video e imágenes por métodos inalámbricos,
transferencia inalámbrica de energía, sistemas de propulsión de medios
electromagnéticos.
En el siguiente trabajo se observara todo lo relacionado sobre La Bobina Tesla
desde su invención hasta su construcción del mismo, se explicara cómo funcionan
los diferentes elementos eléctricos en la bobina de tesla. Se percibirá diferentes
diseños de la bobina de tesla, principios básicos y función de cada uno de los
elementos que la componen como lo son el transformador de alta tensión, la
bobina RFC o de Choke, el condensador o capacitador, explosor, bobina primaria
y bobina secundaria.
1. BOBINA DE TESLA
1.1. RESEÑA HISTORICA
En este proyecto nos ayudamos del científico Nikola Tesla, un brillante
ingeniero que vivió en la segunda mitad del siglo pasado y que en 1891, desarrolló
un equipo generador de alta frecuencia y alta tensión con el cual pensaba
transmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores.
En 1884 se trasladó a Nueva York, creando su propia compañía en 1886 Tras
romper con Edison después de tener muchas diferencias ante la eficiencia Entre la
corriente continua (CC) y la corriente alterna (CA) de Tesla. Tenía un Laboratorio
en la calle Houston en Nueva York. En 1887 logra construir el motor de inducción
de corriente alterna.
Tesla es el inventor de la corriente trifásica y de los motores de inducción, que
mueven en el presente todas nuestras industrias. En 1891 patentó lo que un día
podría convertirse en su más famosa invención la base para la transmisión
inalámbrica de corriente eléctrica, conocido como la Bobina Transformadora Tesla.
Entre sus logros figuran la invención de la radio, el motor de corriente alterna,
luchaba por la investigación de un estándar eléctrico, la lámpara de pastilla de
carbono (luz de alta frecuencia), el microscopio electrónico, un avión despegue y
aterrizaje vertical, la resonancia, el radar, el submarino eléctrico, Bobina de Tesla,
Rayo de la muerte, control remoto, Rayos X, métodos y herramientas para el
control climático, transmisión de video e imágenes por métodos inalámbricos,
transferencia inalámbrica de energía, sistemas de propulsión de medios
electromagnéticos.
Nikola Tesla nacido en Smiljan Imperio austrohúngaro, actual Croacia, el 10 de
julio de 1856, fue un inventor, ingeniero mecánico, ingeniero electricista y físico de
origen serbio y el promotor más importante del nacimiento de
la electricidad comercial. Se le conoce, sobre todo, por sus numerosas y
revolucionarias invenciones en el campo del electromagnetismo, desarrolladas a
finales del siglo XIX y principios del siglo XX.
Las patentes de Tesla y su trabajo teórico formaron las bases de los sistemas
modernos de potencia eléctrica por corriente alterna (CA), incluyendo el sistema
polifásico de distribución eléctrica y el motor de corriente alterna, que tanto
contribuyeron al nacimiento de la Segunda Revolución Industrial.
Tesla era étnicamente serbio y nació en el pueblo de Smiljan (actualmente
en Croacia), en el entonces Imperio Austrohúngaro (aunque algunos académicos
rumanos afirman que era istrorrumano).
Era ciudadano del Imperio austriaco por nacimiento y más tarde se
hizo ciudadano estadounidense. Tras su demostración de la comunicación
inalámbrica por medio de ondas de radio en 1894 y después de su victoria en
la guerra de las corrientes, fue ampliamente reconocido como uno de los más
grandes ingenieros electricistas de los EE. UU de América. Gran parte de su
trabajo inicial fue pionero en la ingeniería eléctrica moderna y muchos de sus
descubrimientos fueron de suma importancia.
Durante este periodo en los Estados Unidos la fama de Tesla rivalizaba con la
de cualquier inventor o científico en la historia o la cultura popular, pero debido a
su personalidad excéntrica y a sus afirmaciones aparentemente increíbles y
algunas veces casi inverosímiles, acerca del posible desarrollo de innovaciones
científicas y tecnológicas, Tesla fue finalmente relegado al ostracismo y
considerado un científico loco. Tesla nunca prestó mucha atención a sus finanzas.
Se dice que murió empobrecido a la edad de 86 años.
1.2. QUE ES UNA BOBINA DE TESLA
Una bobina de Tesla es un tipo de transformador resonante, la patenta a la
edad de 35 años. Las bobinas de Tesla están compuestas por una serie
de circuitos eléctricos resonantes acoplados. En realidad Nikola Tesla experimentó
con una gran variedad de bobinas y configuraciones, así que es difícil describir un
modo específico de construcción que satisfaga a aquellos que hablan sobre
bobinas de Tesla. Las primeras bobinas y las bobinas posteriores varían en
configuraciones y montajes. Generalmente las bobinas de Tesla crean descargas
eléctricas de alcances del orden de metros, lo que las hace muy espectaculares.
En la primavera de 1891, Tesla realizó una serie de demostraciones con varias
máquinas ante el American Institute of Electrical Engineers del Columbia College.
Continuando las investigaciones iniciales sobre voltaje y frecuencia de William
Crookes, Tesla diseñó y construyó una serie de bobinas que produjeron corrientes
de alto voltaje y alta frecuencia. Estas primeras bobinas usaban la acción
disruptiva de un explosor (spark-gap) en su funcionamiento.
Los dispositivos posteriores fueron en ocasiones alimentados desde
transformadores de alto voltaje, usando bancos de condensadores de cristal de
botella inmersos en aceite para reducir las pérdidas por descargas de corona, y
usaban explosores rotativos para tratar los niveles de alta potencia. Las bobinas
Tesla conseguían una gran ganancia en voltaje acoplando dos circuitos LC
resonantes, usando transformadores con núcleo de aire. A diferencia de los
transformadores convencionales, cuya ganancia está limitada a la razón entre los
números de vueltas en los arrollamientos, la ganancia en voltaje de una bobina
Tesla es proporcional a la raíz cuadrada de la razón de las inductancias
secundaria y primaria.
Estas bobinas posteriores son los dispositivos que construyen usualmente los
aficionados. Son transformadores resonantes con núcleo de aire que genera muy
altos voltajes en radio frecuencias. La bobina alcanza una gran ganancia
transfiriendo energía de un circuito resonante (circuito primario) a otro (secundario)
durante un número de ciclos.
Aunque las bobinas Tesla modernas están diseñadas usualmente para generar
largas chispas, los sistemas originales de Tesla fueron diseñados para la
comunicación sin hilos, de tal manera que él usaba superficies con gran radio de
curvatura para prevenir las descargas de corona y las pérdidas por streamers.
DISEÑOS DE BOBINAS DE TESLA
Figura No 1.
Esquema típico de una bobina Tesla
Este circuito de ejemplo está diseñado para ser alimentado con corrientes
alternas. Aquí el spark gap corta la alta frecuencia a través del primer
transformador. Una inductancia, no mostrada aquí, protege el transformador
Figura No 2.
Configuración alternativa de una bobina Tesla
Este también alimentado por corrientes alternas. Sin embargo, aquí el
transformador de la alimentación AC debe ser capaz de tratar altos voltajes a altas
frecuencias.
Figura No 3.
Bobina de Tesla corriente Continua
Alimentado con corriente alterna aumentado y rectificando a su vez el voltaje
con un circuito triplicador.
2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
2.1 TRANSMISION
Una bobina Tesla grande de diseño actual puede operar con niveles de
potencia con picos muy altos, hasta muchos mega voltios (un millón de voltios).
Debe por tanto ser ajustada y operada cuidadosamente, no sólo por eficiencia y
economía, sino también por seguridad. Si, debido a un ajuste inapropiado, el punto
de máximo voltaje ocurre por debajo de la terminal, a lo largo de la bobina
secundaria, una chispa de descarga puede dañar o destruir el cable de la bobina,
sus soportes o incluso objetos cercanos.
Tesla experimentó con estas, y muchos otras, configuraciones de circuitos El
arrollamiento primario, el spark gap y el depósito condensador están conectados
en serie. En cada circuito, el transformador de la alimentación AC carga el
depósito condensador hasta que su voltaje es suficiente para producir la ruptura
del spark gap. El gap se dispara, permitiendo al depósito condensador cargado
descargarse en la bobina primaria. Una vez el gap se dispara, el comportamiento
eléctrico de cada circuito es idéntico. Los experimentos han mostrado que ninguno
de los circuitos ofrece ninguna ventaja de rendimiento sobre el otro.
Sin embargo, en el circuito típico el cortocircuitar el spark gap previene que las
oscilaciones de alta frecuencia 'vuelvan' al transformador. En el circuito alterno,
oscilaciones de alta amplitud y alta frecuencia que aparecen a lo largo del
condensador también son aplicadas a la bobina del transformador. Esto puede
inducir descargas de corona entre los giros que debiliten y eventualmente
destruyan el aislamiento del transformador.
Constructores experimentados de bobinas Tesla utilizan casi exclusivamente
el circuito superior, generalmente añadiendo filtros pasa baja (redes de
resistencias y condensadores) entre el transformador y el explosor. Esto es
especialmente importante cuando se usan transformadores con oscilaciones de
alto voltaje frágiles, como transformadores de luces de Neón (NST en sus siglas
en inglés). Independientemente de la configuración que se use, el transformador
HV debe ser del tipo que auto-limita su corriente secundaria por medio de
inductancias de fuga interna. Un transformador de alto voltaje normal (con baja
inductancia de fuga) debe utilizar un limitador externo (a veces llamado ballast)
para limitar la corriente. Los NST están diseñados para tener inductancia de fuga
alta, para limitar sus cortocircuitos a niveles seguros.
2.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
La forma en que operan los transformadores de Tesla es la siguiente:
Conectado el transformador de alto voltaje a la línea eléctrica se establece una
corriente a través del circuito transformador – condensador – bobina primaria. A
las frecuencias de operación del transformador la bobina primaria tiene una
reactancia inductiva prácticamente nula y no influye en la magnitud de la corriente
establecida, la cual resulta ser solo función de la impedancia interna del
transformador y la reactancia capacitiva del condensador.
Esta corriente carga el condensador de alto voltaje, elevando la diferencia de
potencial entre sus placas y almacenando más y más energía en este. Por leyes
de Kirchhoff es inmediato el hecho de que el voltaje establecido entre los
electrodos del explosor es igual al voltaje entre las placas del condensador. Por lo
tanto, cuando el condensador se carga a un voltaje lo suficientemente alto como
para que la rigidez dieléctrica del aire entre los electrodos del explosor sea
superada, el campo eléctrico entre estos arranca electrones de las moléculas de
aquel y se establece un arco eléctrico de baja impedancia que actúa como un
puente que cierra el circuito condensador – bobina primaria… y entonces se
originan los pulsos de alta frecuencia.
Físicamente los circuitos primario y secundario no tienen conexiones
eléctricas en común; sin embargo se encuentran enlazados permanentemente por
su inductancia mutua, por los efectos electrodinámicos que produce uno sobre el
otro cuando están en operación; más concretamente, por el campo
electromagnético que se establece en el espacio circundante. Cuando se cierra el
circuito primario se establecen corrientes eléctricas de alta frecuencia que crean
un campo electromagnético a su alrededor. Este campo induce en la bobina
secundaria corrientes eléctricas que fluyen a lo largo del conductor, desde el
toroide hasta la base conectada a tierra. Estas corrientes son máximas en la base
del secundario y mínimas en la parte superior.
El campo electromagnético variable induce corrientes, pero también voltajes
en el circuito secundario. En particular sabemos que el toroide colocado en la
parte superior de la Bobina tiene una capacitancia intrínseca dependiente de su
posición respecto al suelo y al resto de los componentes de la bobina, pero
también el conductor del que está hecha la bobina secundaria tiene su propia
capacitancia.
En operación el toroide se convierte en un depósito para la carga eléctrica
y en consecuencia para la energía proveniente del circuito primario, energía
transmitida por inducción y a través del campo electromagnético. La acumulación
de carga en el toroide produce un rápido incremento de voltaje hasta que este es
tan alto que se produce emisión eléctrica hacia el espacio circundante. Así se
producen las descargas que observamos al poner uno de estos aparatos en
funcionamiento.
El funcionamiento de la bobina Tesla puede ser visto como dos circuitos
resonantes débilmente acoplados por el aire. El coeficiente de acoplamiento entre
las bobinas L1 y L2 suele estar entre 0,1 y 0,2
CIRCUITO EQUIVALENTE TESLA
Figura No 4
El circuito primario se forma cuando salta el arco en el explosor conectando
en serie el condensador primario C1, la bobina primaria L1 y su resistencia
equivalente. El circuito secundario lo forman la bobina secundaria con su
resistencia equivalente, y la suma de las capacidades propia de la bobina
secundaria y del terminal superior a tierra. La bobina secundaria tiene uno de sus
terminales a tierra y el terminal superior muestra una capacidad equivalente a
tierra, así es como se cierra el circuito secundario. El circuito primario y
secundario están acoplados entre ellos con una inductancia mutua M.
De acuerdo con la primera ley de Kirchoff, la suma de voltajes a lo largo del
circuito completo es cero.
Ecuación 1.1 y 1.2
Si qi es la carga instantánea en los condensadores C1 y C2, para cada circuito es
Ecuación 1.3
Sustituyendo en la ecuación 1.1 y 1.2.
Ecuación 1.4 y 1.5
Reorganizando e introduciendo el operador como el diferencial respecto del
tiempo
Ecuación 1.8
De las ecuaciones de arriba se deduce la siguiente ecuación característica.
Donde:
Ecuación 1.9 y 1.10
k es el coeficiente de acoplamiento ( 0 < k < 1 ), mientras que ω1 y ω2 son,
respectivamente las pulsaciones de resonancia de los circuitos 1 y 2 desacoplados
(también llamadas resonancias de circuito abierto).
La ecuación (1.8) es una ecuación lineal homogénea de cuarto grado que tiene
cuatro raíces complejas D1, D2, D3 y D4. Si estas raíces son distintas entonces
las cuatro funciones.
Ecuación 1.11
Constituyen un espacio básico de soluciones para el sistema formado por la
ecuación (1.6) y la ecuación (1.7). La solución general de este sistema es por lo
tanto.
Ecuación 1.12 y 1.13
Las constantes Ai y Bi pueden ser evaluadas usando las condiciones iniciales t = 0
Ecuación 1.4
Donde q0 es la carga inicial del condensador primario. Los voltajes del
condensador primario y secundario son simplemente
Ecuación 1.15 y 1.16
Las soluciones para v1 y v2 solo pueden ser calculadas para el caso ideal de R1 =
R2 =0. Las raíces de la ecuación (1.8) tienen solo parte imaginaria y el voltaje en
el secundario se puede expresar como
Ecuación 1.17
Donde:
Ecuación 1.18 y 1.19
T es el coeficiente de sintonización, definido como el cuadrado del cociente de
las frecuencias de resonancia desacopladas, mientras que V1 es el voltaje inicial a
través de C1, w1 y w2 son las frecuencias de resonancia del primario y el
secundario cuando están acoplados. Los restricciones de los valores de k y T
hacen que w1 y w2 sean siempre reales y que w2> w1.
La ecuación (1.17) es importante y muestra que el voltaje del secundario es una
oscilación de alta frecuencia (w1 + w2)/2 cuya amplitud se modula por otra
oscilación de baja frecuencia (w1 - w2)/2.
ELEMENTOS Y FUNCIONAMIENTO DE LA BOBINA DE TESLA
En este apartado se realizara una descripción detallada de las
características que deben tener los diferentes elementos constituyentes de una
bobina Tesla.
Esquema a utilizar
Figura No 1.
3.1 TRANSFORMADOR DE ALTA TENSION
El Transformador de Alto Voltaje es la fuente principal de energía en una
bobina de Tesla convencional. Eleva el voltaje convencional de 110V hasta
valores de miles de voltios; generalmente se utilizan voltajes dentro del rango de
1000 hasta 20 kV en el circuito primario de la bobina.
TRANSFORMADOR
Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite
aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna sin
afectar el factor de potencia y manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al
equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la
que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje
de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna
de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión,
basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por
dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de
material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión
entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el
núcleo.
El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas
apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético.
Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según
correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente.
También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir
un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.
Figura No 5
Representación esquemática del transformador.
El principio de funcionamiento del transformador tiene sus bases en la teoría del
electromagnetismo resumida en las ecuaciones de Maxwell
3.2. RFC O BOBINA DE CHOQUE
Su función en el proyecto es una solenoide que protegerá el transformador
de las altas frecuencias producidas por el explosor en corriente alterna en este
caso a altas frecuencias daña el transformador y por la capacitancia parasita
producida por las descargas del condensador.
Una bobina de choke (del inglés to choke, obstruir; en la literatura aparece
a veces castellanizado como "choque") es un inductor diseñado para tener una
reactancia muy grande a una frecuencia o rango de frecuencias determinadas.